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来源 先闻整理 发布于 2012/8/2 10:21:24 评论(0) 有1452人阅读

玻璃,中国古代亦称琉璃,是一种透明、强度及硬度颇高,表面平滑及不透气的物料。玻璃在化学上几乎完全呈惰性,亦不会与生物起作用,故此用途非常广泛。不过玻璃亦有容易碎成尖锐碎片的缺点,但这缺点可以透过加入其他物料,或以热处理改良。玻璃是一种非晶形固体。溶解的玻璃迅速冷却,各分子因为没有足够时间形成晶体而形成玻璃。例如若将原为晶体的砂糖以热力溶解,然后倒在冷冻的表面上,所产生成的糖块即为非晶形固体。

成份
普通玻璃主要是非晶的二氧化硅(SiO2),亦即石英,或砂的化学成分。纯正的硅土溶点为摄氏2000度。因此制造玻璃时一般会加入两种材料:碳酸钠 (Sodium Carbonate,Na2CO3 ,即苏打粉)及碳酸钾(Potash,钾碱)。这样硅土溶点将降至1000度左右。但是因为碳酸钠会令玻璃溶于水中,因此通常还要加入适量的氧化钙CaO,使玻璃不溶于水。
对可见光透明是玻璃最大的特点。一般的玻璃因为制造时加进了碳酸钠,所以对波长短于400纳米的紫外线并不透明。若果要让紫外线穿透,玻璃必须以纯正的二氧化硅制造。这种玻璃成本较高,一般被称为石英玻璃。纯玻璃对红外线亦是透明的,可以造成数公里长,作通讯用途的玻璃纤维。
常见的玻璃通常亦会加入其他成份。例如看起来十分闪烁曜眼的水晶玻璃(Lead glass),是在玻璃内加入铅,令玻璃的折射指数增加,产生更为眩目的折射。至于派来克斯玻璃(Pyrex),则是加入了硼,以改变玻璃的热及电性质。加入钡亦可增加折射指数。制造光学镜头的玻璃则是加入钍的氧化物来大幅增加折射指数。倘若要玻璃吸收红外线,可以加入铁。例如放映机内便有这种隔热的玻璃。玻璃加入铈则会吸收紫外线。
在玻璃中加入各种金属和金属氧化物亦可以改变玻璃的颜色。例如少量锰可以改变玻璃内因铁造成的淡绿色。多一点锰则可以造成淡紫色的玻璃。硒亦有类似的效果。少量钴可以造成蓝色的玻璃。锡的氧化物及砷氧化物可造成不透明的白色玻璃。这种玻璃好像是白色的陶瓷。铜的氧化物会造成青绿色的玻璃。以金属铜则会造成深红色、不透明的玻璃,看起来好像是红宝石。镍可以造成蓝色、深紫色、甚至是黑色的玻璃。钛则可以造成棕黄色。微量的金(约0.001%)造成的玻璃是非常鲜明,像是红宝石的颜色。铀(0.1 至2%)造成的玻璃是萤火黄或绿色。银化合物可以造成橙色至黄色的玻璃。改变玻璃的温度亦会改变这些化合物造成的颜色,但当中的化学原理相当复杂,至今仍然未被完全明解。
有时在火山溶岩中会出现天然的玻璃,称黑曜石或火山玻璃。黑曜石可以用来造成简单的尖刀。

历史
人类相信自石器时代即已使用天然的火山玻璃。古埃及在公元前二千年左右已有记载使用玻璃作器皿。西元前200年,巴比伦发明了玻璃吹管制玻离的方法,接著这个方法传入罗马,欧洲在公元一世纪左右罗马的波特兰瓶即是玻璃浮雕作品。到了十一世纪,德国发明制造平面玻璃的技术。先把玻璃吹成球状,然后造成圆筒型。在玻璃仍热时切开,然后摊平。这种技术在十三世纪的威尼斯得到了进一步改良。十四世纪欧洲的玻璃制造中心是威尼斯,很多以玻璃造成的餐具、器皿等都是由威尼斯制作。日后欧洲很多玻璃工匠都是师承威尼斯。1827年发明的玻璃压印机器,开展了大规模生产廉价玻璃器具的道路。
玻璃上有时会以酸或其他腐蚀物料刻上艺术图案。传统的造法是在吹或铸玻璃的时候由工匠刻作。后来在1920年发明了可以在模具上加上雕刻的办法,亦可以使用不同颜色的玻璃,于是在1930年以后,大量生产的廉价玻璃器具逐渐出现。
中国在西周时亦已开始制造玻璃。在西周时期的古墓中曾发现玻璃管、玻璃珠等物品。南北朝以前,中文多以琉璃称以火烧成,玻璃质透明物。宋时则开始称之为玻璃。到明清时,习惯以琉璃称呼低温烧成,不透明的陶瓷。很多当时的“琉璃”严格上来说,并不属于现代所说的“玻璃”。

玻璃产品
玻璃的强度及化学惰性使它成为非常有用的物料。很多家庭用品,例如杯子、碗碟、瓶子等等都是以玻璃制造。此外,灯泡、镜、电脑显示器(Cathod Ray Tube)、电视机、窗等等需要使用玻璃。实验室内大部分的器皿亦是玻璃造成,而且多数是较为耐高温,和膨胀较少的派来克斯玻璃。对于要求高的应用,还会用上石英玻璃。品质好的手表亦会用上石英玻璃的表面。至于光学器材,更是离不开玻璃造的镜头。

玻璃种类
浮法玻璃/退火玻璃
世上大约90%的平面玻璃都是使用1950年代由皮尔金顿玻璃公司(Pilkington)的阿士达·皮尔金顿爵士发明的“浮法玻璃”制成。这种玻璃亦称退火玻璃,方法是把玻璃溶液倒进一缸溶解的锡内,玻璃浮上锡面后自然形成两边平滑的表面,慢慢冷却及成长带状离开锡缸。之后经过火打磨便成为接近完全平的玻璃。通常玻璃会以标准的厚度生产,分为2、3、4、5、6、8、10、12、15、19和22毫米。
把普通退火玻璃用在建筑上会构成潜在危险,因为当这种玻璃破裂时,会成为大块,锋利的碎片,可以造成严重的人员伤亡。多数地方的建筑条例会禁止在玻璃可能被打破的地方使用普通退火玻璃。例如:浴室、玻璃门、落地式玻璃窗、走火通道等等都不可使用这种玻璃。
在浮法玻璃发明以前,退火玻璃亦会以吹、卷压法生产。这些方法很难制成全平的玻璃,除非加以成本很高的机械打磨。

强化玻璃
强化玻璃、淬火玻璃或钢化玻璃(Tempered Glass)是由退火玻璃经热处理而成。退火玻璃先被切割成所需的大小,打磨好边缘或钻好洞,然后进行强化处理。玻璃被放在滚筒桌上,推入超过退火温度摄氏600度的焗炉,然后以空气迅速冷却。玻璃表面被冷却至退火温度以下,快速硬化及收缩;而玻璃内部则在短时间内仍作流动。当玻璃内部收缩,会在表面造成压应力,玻璃内部则成张应力。
一般强化玻璃比退火玻璃强四至六倍。原因是玻璃表面的轻微裂痕都会被应力所紧压,而内层可能出现裂痕的可能性亦较低。但是强化玻璃亦有缺点。因为玻璃内的应力需要平衡,所以如果强化玻璃上出现任何损坏或裂痕,整块玻璃都会碎成指甲大小,没有尖角的碎片。所以强化玻璃要在进行强化处理前事先切割及打磨。而且与退火玻璃相比,强化玻璃的硬度较低,较容易被刮花。
强化玻璃在建筑上的用途甚多,很多无框组件如玻璃门,玻璃幕场等都经常使用强化破璃。需要负重的玻璃亦会采用强化玻璃。
强化玻璃碎裂时形成的碎片细小及呈圆型,令人受伤的机会较少。故此被视为安全玻璃之一。但是强化玻璃在受撞击时可能突然爆裂的特点,令强化玻璃在某些场合下不合适。

钢化玻璃含一种叫硫化镍的成分,在热胀冷缩情况下,硫化镍颗粒会变大或变小,与玻璃形变大小不吻合,此时就可能导致玻璃内部应力剧烈变化,造成自爆。

强化玻璃在数百年前已被发现,但当时并不知道其原理。十七世纪时,英国的鲁伯特王子把熔解的玻璃液滴进水内造成玻璃珠。这种泪滴形的玻璃非常坚硬,就算以槌敲打也不会破碎。但是只要把玻璃滴尾部弄破,它便会突然爆碎成粉末。这种玩意还被带到朝庭上,用来戏弄人,称为“鲁伯特水滴”(Rupert's drop)。

夹层玻璃
夹层玻璃(夹胶玻璃)是1903年由法国化学家爱德华·班尼迪克特斯(Edouard Benedictus)发明。他在做实验的时候无意在玻璃瓶内铺上一层硝化赛璐珞(Cellulose nitrate),之后发现玻璃瓶跌在地上时裂而不破。他想把有塑胶夹层的玻璃应用在汽车的挡风玻璃上,以减少汽车意外所造成的伤亡。最初汽车生产对他的发明不太感兴趣,最先使用这种发明的反而是第一次世界大战时所生产的防毒面具。到了1936年改良使用聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinvl butyral PVB)作为夹层后,夹层玻璃才在汽车上大行其道,之后更成为政府强制的安全标准。
现代的夹层玻璃是以两层或更多层的普通退火玻璃造成,中间的夹层多数仍是PVB。把PVB 放在两层玻璃之间,加热至摄氏70度左右,然后以滚轴把中间的空气压出,让PVB把两层玻璃紧黏在一起。一般的夹层玻璃是以两层3毫米的玻璃,中间夹上0.38毫米的夹层。总厚度为6.38毫米。亦可以用更多层、更厚的玻璃来增加强度。例如防弹玻璃即是用多层厚的玻璃夹成,总厚度可达50毫米。
当夹层玻璃上的玻璃被碎裂时,夹层仍然会把两层玻璃黏著,避免整块玻璃碎成可以伤人的碎片。夹层玻璃亦被称为安全玻璃。
夹层玻璃中间的PVB层亦令玻璃的隔音效果增加,且可阻隔99%以上的紫外线。
汽车的档风玻璃都是夹层玻璃。但车上大部分其他的玻璃,例如侧面及后面的玻璃则是强化玻璃。如果留心看,便会发现汽车的挡风玻璃遇碰撞后只会裂而不破。其他玻璃则会碎成小粒。

自洁玻璃
这是一种由皮尔金顿公司发明的新科技玻璃,主要应用在建筑物、汽车上。玻璃外层表面涂上约50纳米厚的钛氧化物,在紫外光下会催化玻璃上的有机物分解。此外玻璃表面的亲水性协助下雨时在玻璃上形成一层水膜,可以把分解的有机物冲走且不留水迹,达到自洁效果。

光学玻璃

光学玻璃是制造光学镜头、光学仪器的主要材料。光学玻璃必须有高度精确的折射率、阿贝数和高透明度、高均匀度。
简史
最初用于制造镜头的玻璃,就是普通窗户玻璃或酒瓶上的疙瘩,形状类似“冠”,皇冠玻璃或冕牌玻璃的名称由此而来。那时候的玻璃极不均匀,多泡沫。除了冕牌玻璃外还有另一种含铅量较多的燧石玻璃。 1790年左右法国人皮而·路易·均纳德发现搅拌玻璃酱可以制造质地均匀的玻璃。 1884年卡尔·蔡斯厂的恩斯特·阿贝和奥托?肖特(Otto Schott)在耶拿创建肖特玻璃厂(Schott Glaswerke AG ),在几年内研制了几十种光学玻璃,其中以高折射率的钡质冕牌玻璃的发明为肖特玻璃厂的重要成就。
光学玻璃的成分
光学玻璃是用高纯度硅、硼、钠、钾、锌、铅、镁、钙、钡等的氧化物按特定配方混合,在白金坩埚中高温融化,用超声波搅拌均匀,去气泡;然后经常时间缓慢地降温,以免玻璃块产生内应力。冷却后的玻璃块,必须经过光学仪器测量,检验纯度、透明度、均匀度、折射率和色散率是否合规格。合格的玻璃块经过加热锻压,成光学透镜毛胚。
特种光学玻璃
稀土元素光学玻璃
三十年代出现了新的稀土元素光学玻璃,主要成分是镧、钍、钽的氧化物。稀土元素光学玻璃有很高的折射率,为光学镜头的设计开辟新的可能性。今日大孔径镜头中多有镧玻璃。钍玻璃因有放射性,已停止生产。
无铅光学玻璃
无铅光学玻璃不含铅、砷,以N标志。
光学玻璃分类
化学成分和光学性质相近的玻璃,在阿贝图上也分布在相邻的位置。肖特玻璃厂的阿贝图有一组直线和曲线,将阿贝图分成许多区,将光学玻璃分类;列如冕牌玻璃K5、K7、K10在K区,燧石玻璃F2、F4、F5在F区。玻璃名称中的符号:
F 代表燧石
K 代表冕牌
B 代表硼
BA 代表钡
LA 代表镧
N 代表无铅
P 代表磷
光学玻璃的物理参数
Vd阿贝数 四位有效数字
nd折射率 七位有效数字
Ve 四位有效数字
ne 七位有效数字
玻璃的密度. 四位有效数字
玻璃的透明度.四位有效数字
折射率随着温度变化的系数 三位有效数字
国际玻璃码
国际玻璃码用九位数字表示,形式为:xxxxxx.xxx;
头三位数字代表折射率nd小数点后头三位数。
下三位数字代表阿贝数Vd头三位数,不计小数点。
小数点后的三位数代表玻璃的密度,不计小数点
例如K10玻璃
nd=1.50137 小数点后头三位数=501
Vd=56.41 头三位数,不计小数点=564
密度=2.52;不计小数点=252
K10 的国际玻璃码是501564.252

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第1楼 undefined 发表于 2012-05-17 13:23
1983年,乔布斯对百事可乐的 CEO John Sculley 说:“Do you want to sell sugar water for the rest of your life, or do you want to change the world?”(你想卖一辈子糖水,还是改变世界?)就这样,一段传奇的合作开始了。

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